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插入式解决方案满足满足传感器数据采集的设计与挑战

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-13 13:35:54 | 213 次阅读

传感器数据采集是许多深度嵌入式应用的基础,并在不断发展的物联网(IoT)中发挥着核心作用。随着依赖能量收集的趋势,基于传感器的设计需要越来越有效的解决方案来有效和准确地处理传感器信号。在可用的替代产品中,专用的传感器信号调理IC(如ADI公司,Maxim Integrated公司和德州仪器公司的产品)为传感器信号采集提供了直观的解决方案。

传感器通常会产生需要放大的小信号以提升动态信号信号范围,以及补偿,以校正传感器本身的偏移,温度和非线性响应(图1)。为了应对这些挑战,设计人员可以采用各种数字和模拟方法。

图1:集成传感器信号调理器IC将模拟信号路径与数字控制功能相结合,使用专用数字 - 模拟转换器(DAC),支持传感器设计所需的激励,补偿和线性化(由Maxim Integrated提供)。

传感器信号处理

数字信号处理(DSP)方法为传感器数据采集提供了高度灵活的选择。采用基于DSP的方法,放大,补偿和校正都是在通过模数转换器ADC)进行信号转换后在数字域中严格发生的。然而,通过这种方法,信号保持在有限的动态范围内,需要更昂贵,更高分辨率的ADC来实现所需的精度水平。此外,DSP方法将设计复杂性转移到数字系统,导致更高的内存要求和更高的软件复杂性,而物联网可以轻松支持许多深度嵌入式应用。相比之下,在模拟域中执行的信号调节实现了传感器校准和温度补偿不会产生与量化信号的数字处理相关的误差。然而,随着传感器复杂性的增加和更高的应用要求,分立式解决方例如,更复杂的传感器类型,例如桥式传感器,要求放大器能够放大差分输入电压并抑制共模输入电压。因此,使用这些类型传感器的工程师需要格外小心,以确保使用匹配的电阻和放大器实际上,严格地在模拟域中实施信号调节传统上呈现出其自身独特的挑战,因为工程师发现自己面临寻找敏感信号链的最佳操作条件。通用集成模拟前端(AFE)IC的出现提供了一种更有效的解决方案,使设计人员能够满足各种模拟信号处理要求。传感器信号调理器IC以此概念为基础,其特性和功能专为满足与基于传感器的设计相关的独特要求而设计。

传感器信号调节器

专用传感器信号调节器将模拟信号路径与数字控制相结合偏移,增益,线性化和温度补偿的逻辑。凭借其完全模拟信号路径,这些器件不会在输出信号中引入量化噪声。同时,通过集成DAC使用数字控制微调提供了熟悉的数字技术的灵活性和精确性。由于制造商将这种广泛的功能集成到单个器件中,传感器系统设计人员避免了传统上与优化和调谐敏感模拟信号链相关的问题。

传感器信号调理器IC通常集成了传感器激励电路多路复用器,ADC,可编程增益放大器(PGA) ),温度传感器,控制逻辑和数字接口。对于线性化和温度补偿,此类设备根据从片上存储器或外部EEPROM中保存的查找表中提取的值调整输出。通过内置温度补偿和传感器输出线性化的完整信号链,这些器件为基于传感器的设计提供了近乎可靠的解决方案。例如,德州仪器PGA309模拟信号调理器设计用于用于力传感应用的桥式传感器,集成了适应这些复杂传感器所需的全套电路块(图2)。 PGA309包括一个用于传感器激励和线性化的专用电路块。该模块围绕专用数模转换器(DAC)构建,可对参考电压进行调整,并将其与PGA309输出的一部分相加,以补偿许多传感器在其施加的压力范围内呈现的正或负弓形非线性。 

插入式解决方案满足满足传感器数据采集的设计与挑战

图2:德州仪器(TI)PGA309专为桥式传感器应用而设计,为桥式激励,温度补偿和线性化提供专用功能(德州仪器公司提供)。

温度补偿,PGA309通过专用ADC数字化温度,并使用转换后的数据从外部EEPROM中的查找表中读取数据。专用电路使用结果根据温度变化时的校准值调整输出。对于不需要温度补偿的应用,德州仪器PGA308提供了更低成本的选项,但没有此功能,但包括与PGA309相同的功能。

PGA309围绕精密,低漂移的前端PGA构建,没有1/f噪声,而输入多路复用器可以切换输入的极性,以适应未知极性输出的传感器。工程师可以在2.7到1152 V/V的宽范围内调整前端PGA和输出放大器的整体增益。

内置故障监控电路可以检测传感器和系统的故障,提供故障条件通过PGA309的内部报警状态寄存器以数字形式。器件输入端的四个比较器用于检测桥式传感器烧坏,并根据配置设置发出故障报警信号。此外,该器件还可以针对过大和欠量程条件发出警报。

与TI PGA309一样,Maxim Integrated MAX1452旨在提供具有最少外部元件的完整解决方案。 MAX1452架构包括可编程传感器激励,16步PGA,768字节内部EEPROM,4个16位DAC,一个非专用运算放大器和一个片上温度传感器。

MAX1452温度补偿功能允许工程师选择一到114个温度点来补偿传感器。在这里,工程师可以设置多达114个独立的16位EEPROM位置,以在-40°至+ 125°C的温度范围内以1.5°C的温度增量校正温度。这种方法使设计人员能够灵活地通过简单的一阶线性校正补偿传感器或适应不寻常的温度曲线。

虽然MAX1452不包含集成的非线性校正功能,但设计人员可以使用一个线性化桥式传感器的输出。简单的外部电路,在应用电路中使用三个额外的电阻(图3)。这里,来自OUT引脚的放大输出电压将激励电压调制到传感器电桥。随着传感器输出的输出驱动OUT变高,桥上的激励会略微增加以提供非线性校正。

插入式解决方案满足满足传感器数据采集的设计与挑战

图3:使用MAX1452,设计人员可以将桥式传感器输出线性化增加三个电阻。这里,RF =18kΩ和RS =1.8kΩ的值被选择用于4.7kΩ(标称值)的桥电阻,而ROF确保电桥的差分输出始终为正(由Maxim Integrated提供)。

设计师可以还可以找到专为传感器应用而设计的传感器调节器例如,ADI公司的1B31AN,1B41AN和1B51AN分别为应变仪,电阻温度检测器(RTD)和热电偶提供集成解决方案。此外,ADI公司的AD693专为支持传统过程控制应用而设计,采用标准的4至20 mA双线电流回路。

在AD693中,仪表放大器可以缩放低电平输入信号并驱动V/I转换器,提供4至20 mA的环路电流。集成的电压基准和电阻分压器提供应用电压,用于设置环路中所需的各种带电零电流。此外,该器件还包括一个可用于传感器激励的片上辅助放大器。

ADI公司还提供AD598,它为用于感测的线性可变差动变压器(LVDT)传感器的信号调理提供集成解决方案。机械定位(图4)。该器件仅需几个额外的外部无源元件即可将原始LVDT输出转换为缩放的DC信号。 AD598的比例式架构消除了传统LVDT接口方法的一些缺点,从而提高了温度稳定性和传感器互换性。 ADI公司提供与AD598相同的功能,可提供改善的增益误差,失调误差和失调漂移。

插入式解决方案满足满足传感器数据采集的设计与挑战

图4:ADI公司AD598仅需几个外部无源元件实现完整的基于LVDT的线性定位设计(由ADI公司提供)。

结论

对于采用能量采集方法的嵌入式设计,传感器信号处理对于准确有效地提供传感器数据提出了独特的挑战。在替代解决方案中,专用传感器信号调理器IC提供与传统模拟信号链相关的精确度的独特组合以及数字方法可用的灵活性。通过为传感器信号处理提供插入式解决方案,这些器件使工程师能够实现能够满足传感器数据采集最具挑战性要求的设计。

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